AeroMACS——一種新型航空空港移動通信系統(tǒng)

劉楓康瀟葉永

（民航河南空管分局，河南 鄭州 450000）

現(xiàn)在國際和國內(nèi)空港航班量的增長促使空中交通管制（ATC）和航空公司運行通信（AOC）服務(wù)數(shù)據(jù)負荷快速增長，以往的語音通信已經(jīng)不能滿足新一代空中交通管理系統(tǒng)的需求，所以未來我們的通信基礎(chǔ)設(shè)施（FCI[1]）必然是一個復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)。

選擇多種現(xiàn)有技術(shù)可以最大限度地利用現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的成果，從而快速高效地投入使用。例如Eurocontrol和ICAO共同定義的基于IEEE802.16-2009標(biāo)準(zhǔn)（即Mobile WiMAX）的工作與C波段航空空港移動通信系統(tǒng)。

IEEE 802.16-2009技術(shù)能很好地滿足空港場面通信的要求并且適應(yīng)其復(fù)雜的電磁環(huán)境，特別是正交頻分復(fù)用（OFDM）和非視距（NLoS）通信技術(shù)能更好地應(yīng)對不利傳輸環(huán)境和更好地利用頻率資源，使得高速數(shù)據(jù)傳輸成為可能。Mobile WiMAX還可以對飛機和地面車輛進行定位，針對各種不同服務(wù)提供不同的QoS以及基于認證/授權(quán)程序和加密的安全通信。

盡管IEEE802.16-2009已經(jīng)被選擇作為FCI（未來航空基礎(chǔ)設(shè)施）中最適合的技術(shù)，但是到目前為止，各國還沒有就其具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)達成一致。特別是在一些具體問題，例如飛行器和控制站、頻偏補償、信道傳輸衰落、QoS管理策略和越區(qū)切換中的安全問題等，仍需要深入研究。以下本文將對這些方面的進展和方向做淺顯的分析。

1 AeroMACS系統(tǒng)概述

AeroMACS是一個全IP網(wǎng)絡(luò)，可以用于飛行器、車輛和人員的通信，同時，支持與安全相關(guān)的ATC和AOC高速數(shù)據(jù)包交換業(yè)務(wù)，未來AeroMACS還將支持網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)（NET），并且在其實施的第二階段，還會支持VoIP及視頻流等相關(guān)業(yè)務(wù)。在所有業(yè)務(wù)的優(yōu)先級中，網(wǎng)管服務(wù)最高，其次是ATC和AOC，此外一些人身安全相關(guān)服務(wù)（SoL）也需要一個安全可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)，這樣才能保證一定的容錯性和網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時的可靠性。綜上所述，為了保障ATC和NET的業(yè)務(wù)不中斷，必須盡量減少越區(qū)切換的時間，同時使用帶有認證的安全協(xié)議、授權(quán)程序和加密來避免網(wǎng)絡(luò)遭受惡意的攻擊和入侵。

在實施的第一階段，AeroMACS能支持速度小于92.6km/h的飛機和機場地面車輛的通信，此后將考慮如何使其支持COCR v2.0中最大移動速度為370km/h的通信，最終系統(tǒng)能夠向機場上空飛行的飛機廣播機場通播信息。理論上單個小區(qū)能夠覆蓋8.3km的半徑范圍，但是這只能滿足小型機場的需求，而使用多個覆蓋范圍較小的基站可以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和數(shù)據(jù)的可靠性。未來AeroMACS頻率資源將會和導(dǎo)航、遙測、安全和衛(wèi)星服務(wù)共同使用5091-5150MHz的航空服務(wù)頻率，為了防止各種業(yè)務(wù)相互干擾，他們必須在空間和頻率上有充足的間隔，微波著陸系統(tǒng)MLS是一項重要的干擾源，應(yīng)該對其兩者之間的相互作用做進一步的深入研究。

2 AeroMACS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了保證網(wǎng)間良好的互聯(lián)性，AeroMACS采用基于由WiMAX論壇定義的IEEE802.16-2009架構(gòu)，同時AeroMACS也是一種支持模塊化和靈活部署的全IP網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，一般AeroMACS系統(tǒng)由以下幾部分組成。

圖1 AeroMACS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MS/SS即移動用戶站/固定用戶站，他們都是最終的用戶。MS是指飛機、服務(wù)車輛、緊急情況車輛以及步行工作人員等移動結(jié)點，SS是指雷達、氣象站及航線設(shè)備等固定結(jié)點。

ASN即服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)，用于向AeroMACS用戶、安全認證系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)提供無線訪問接口，它由至少一個BS和ASN-GW組成。

BS即基站，表示該網(wǎng)絡(luò)的接入點，實現(xiàn)了空中接口和各項功能的接入，包括上行鏈路（UP）和下行鏈路（DL）調(diào)度器，射頻資源管理模塊和越區(qū)切換（HO）管理模塊。一個物理基站可以包括多個按扇區(qū)角度或者頻率劃分的邏輯基站。

ASN-GW即ASN網(wǎng)關(guān)，表示ASN與CSN之間的鏈路，主要實現(xiàn)路由和橋接的功能。此外，它還可以根據(jù)移動性和安全性方面的指標(biāo)實現(xiàn)基站之間的負載均衡。

CSN即網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通服務(wù)，用于在機場內(nèi)或者互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)提供針對AeroMACS用戶的IP連接服務(wù)。

ASN一般部署在機場附近，如果基站的總數(shù)比較少，ASN可以采用分布的方式在各個基站進行部署。

3 AeroMACS總則

由于AeroMACS定義的配置與WiMAX論壇認證的配置相兼容，所以AeroMACS具有IEEE 802.16-2009的功能和屬性。綜上所述，AeroMACS的配置是WiMAX的一個特殊應(yīng)用，以下表1中將具體闡述AeroMACS和WiMAX配置主要的不同點。

3.1 物理層

IEEE 802.16-2009可以同時工作在多個頻段，用以支持規(guī)定的數(shù)據(jù)速率。而AeroMACS的512點FFT僅有5MHz帶寬，也許未來能擴展到10MHz。由于AeroMACS的物理層基于正交頻分多址技術(shù)，所以具有減少頻率相關(guān)性失真以及在多徑條件下進行信道均衡的能力，在機場附近具有惡劣的衰落、寬時延的環(huán)境中有著特殊的優(yōu)勢。

3.2 介質(zhì)訪問控制層

AeroMACS的介質(zhì)訪問控制層符合IEEE 802.16-2009標(biāo)準(zhǔn)，用戶通過TDMA和OFDMA相聯(lián)合的方式訪問信道。在時頻域中，子載波以時隙為單位分配各個用戶。時隙是可以分配給用戶的最小資源單元，它又可以分成48個相鄰的數(shù)據(jù)子載波，并且時隙中還包括導(dǎo)頻分配的信息。MAC層中的公共子層（CPS）采用合適的調(diào)度算法來實現(xiàn)一些MAC層的特殊功能，例如資源分配、連接建立以及QoS管理等。其他兩個MAC子層是特殊服務(wù)匯聚層（CS）和安全子層。其中CS子層用于將上層數(shù)據(jù)映射成相應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDUs）。而安全子層實現(xiàn)認證、密鑰交換和加密功能，以確保通信安全，防止網(wǎng)絡(luò)被惡意入侵。

表1 WiMAX與AeroMACS的主要區(qū)別

4 結(jié)論

國內(nèi)和國際航班量的大量增長要求我們開發(fā)出一種有效的寬帶通信系統(tǒng)來提高航空安全水平，保證飛行器、運控中心、內(nèi)場車輛和人員之間可靠地通信。在歐美國家已經(jīng)對這些技術(shù)進行了項目驗證，我國的民航數(shù)據(jù)通信公司也在雙流機場進行了試驗，國家無線電委員會也在審批這些頻率。也許在不久的將來，這會成為空港移動通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，空管行業(yè)將是這個系統(tǒng)的重要用戶，所以我們要走在該項技術(shù)的前沿，迎接未來的挑戰(zhàn)。

［1］何川，張學(xué)軍.未來可用航空通信關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展評估［A］.第四屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集［C］.2011.